Изучение природы линейного и нелинейного взаимодействия геосферных полей переходных зон Мирового океана и их последствий

При изучении процессов и явлений широкого диапазона частот в любой геосфере необходимо учесть вклад в данные процессы и явления других геосфер. Правильный учет этого вклада позволяет не только определить первоисточник различных процессов и явлений, но и выделить из записей конкретных приборов “замаскированные” сигналы естественного и искусственного происхождения. Проведенные преобразования по учету вклада вариаций атмосферного давления в уровень деформаций земной коры позволили выделить некоторые тона и обертона собственных колебаний Земли, которые до этой процедуры не выделялись при спектральной обработке первичного ряда. Учет межгеосферного взаимодействия особенно важен в зоне перехода системы “атмосфера–гидросфера–атмосфера”. Без этой процедуры можно ошибочно конкретные процессы и явления приписать другой геосфере, что приводит к огромным ошибкам при построении различных физических моделей с ложной их интерпретацией. Метод счёта одиночных фотонов с временной корреляцией (TCSPC), реализованный на основе цифрового осциллографа и компьютера, впервые применён для анализа ультракоротких вспышек многопузырьковой сонолюминесценции (СЛ) водных растворов солей щелочных металлов, насыщенных аргоном. Результаты интересны как с точки зрения применения TCSPC в таких многофакторных системах, как СЛ, так и для понимания процессов, сопровождающих облучение жидкостей ультразвуком. Основные результаты: 1) длительности вспышек атомов металлов разнились в диапазоне 5-40 ns; 2) длительность вспышек изменялась при изменении атомной массы металла и его энергии возбуждения, концентрации соли и в присутствии в растворе поверхностно-активного вещества (SDS); 3) в растворе NaCl вспышки Na происходили одновременно с короткими (<1 ns) вспышками континуума, симметрично окружая их по шкале времени; 4) длительность вспышки широкой компоненты линии натрия была меньше длительности узкой, зависимость длительности вспышки от длины волны находилась в согласии с предложенной нами динамической моделью формы линии. Во втором разделе отчета представлены экспериментальные и теоретические результаты исследования нелинейных гидрофизических процессов и особенности формирования подводных акустических полей в шельфовой зоне Японского моря. Цель исследования – разработка новых методов статистического оценивания полей нелинейных внутренних волн, а также влияние гидрофизических полей на формирование гидроакустических полей в мелком море. Обсуждаются вопросы формирования внутренних волн на основе анализа температурных фронтов. Оцениваются статистические характеристики изменчивости температуры воды в полусуточном и инерционном временных масштабах по данным осени 2022 года. Проводятся оценки общих характеристик нелинейных внутренних волн (НВВ), а также исследуется процесс возникновения, развития и трансформации НВВ в прибрежной зоне Японского моря в различные сезоны года 2022 года. Изучается динамика и устойчивость сдвиговых потоков на основании критериев для линейных и нелинейных внутренних волн по вариациям значений чисел Фруда и Ричардсона. Второй раздел посвящен вопросам выбора моделей НВВ и их численного моделирования. Проведено сравнение натурных данных и данных численного моделирования НВВ. Приведены примеры вполне удовлетворительной пространственно–временной реставрации НВВ между измерительными системами. Во втором разделе для низкочастотного звукового сигнала, распространяющегося в горизонтально-неоднородном волноводе мелкого моря, на основе статистического моделирования в рамках метода поперечных сечений исследовано влияние флуктуирующей границы раздела между водным слоем и жидкими донными осадками. Моделирование проведено для гидрологических условий, во многих ситуациях соответствующих мелководным зонам шельфа российских арктических морей. В разделе исследуется поле комплексного вектора акустической интенсивности движущегося тонального низкочастотного источника в регулярном волноводе мелкого моря. Рассмотрены явления: дислокации фазового фронта, особые точки, вихрь акустической интенсивности и механизм его устойчивости, момент импульса вихря, ротор вихря. Установлена величина соотношения сигнал-помеха при которой в когерентном поле возможно появление дислокации фазового фронта и вихря в дальнем поле источника сигнала. Предложенные в отчете результаты могут быть использованы для решения задач океанологии и прикладной гидроакустики. Например, для исследования особенностей формирования различных сильно нелинейных волновых структур, таких как внутренние боры и группы солитоноподобных пакетов внутренних волн. Значимость работы заключается в следующем. Систематические исследования пространственно-временной изменчивости нелинейных внутренних волн позволяет прогнозировать динамику изменений условий формирования звуковых полей на шельфе. Такие результаты являются значимыми для прикладной гидроакустики. Той же цели служат новые теоретические разработки по распространению звука в условиях случайной границы дна. В последние годы заметно активизировались исследования, направленные на изучение векторных гидроакустических полей на шельфе. Их причины и цели весьма разнообразны. Например, применение комбинированных приемников открывает новые возможности в реализации экологических программ. Измерения векторных звуковых полей важны для оценки воздействия антропогенных шумов на различные морские организмы. Известно, что некоторые виды рыб, не имеющие плавательного пузыря, воспринимают компоненты колебательной скорости значительно сильнее, чем акустическое давление. Предположительно и кальмар может реагировать именно на смещения частиц воды в низкочастотной акустической волне. Возможность определения направления на источник гидроакустического сигнала, обеспечиваемая векторным приемником, может быть полезна в задачах пассивного акустического мониторинга морских животных (ПАМ МЖ), позволяя точнее селектировать сигналы (вокализации) отдельных МЖ. Интересной и полезной задачей является исследование практических возможностей пеленгации источников акустического сигнала стационарной приемной донной станцией с комбинированным приемником в заданной акватории. Задача осложняется сложностью звуковых полей на шельфе. Акустические пеленги в мелководной акватории со сложным рельефом зависят от многих факторов – спектрального состава сигнала, интерференции «прямого» и множества отраженных сигналов в точке приема, батиметрических, гидрологических и погодных условий. Изучение влияния этих факторов, отработка методик их нейтрализации, оценка статистической значимости полученных результатов – работа чрезвычайно объемная, длительная и оперирующая огромными объемами акустических, гидрологических и иных данных. Развитие нейросетевых алгоритмов открывает новые возможности и перспективы в практическом решении этой задачи. Целью проводимой в лаборатории акустического зондирования океана работы является разработка технических средств, методик измерений и программного обеспечения для обнаружения, определения местонахождения и параметров движения различных источников гидроакустического сигнала методами машинного обучения. Для достижения этой цели производятся модернизации разработанной и изготовленной в лаборатории донной станции с комбинированным приемником соколеблющегося типа «Краб», ведется набор данных и апробация различных алгоритмов компьютерного зрения и машинного обучения. В отчете представлены исследования мелководных областей пузырьковой разгрузки метана и сформированных над ними газовых факелов, зарегистрированных акустическими методами в Охотском море и море Лаптевых на глубинах до 200 м, в период с 2002 по 2020 гг. Показано, что в зависимости от года исследования, поперечные размеры и интенсивность исследованных областей изменялись. При этом средний поток метана из мелководных областей пузырьковой разгрузки, обнаруженных в Охотском море, в среднем, составлял ~ 2,5 моль ∙ км-2 ∙ с-1. С помощью специально сконструированного экспериментального стенда, в лаборатории, в условиях приближенных к природным были смоделированы цепочки всплывающих, с различной интенсивностью, пузырьков. В результате проведенных исследований показано, что с глубины 72 метра до поверхности, всплывающий со скоростью 24 см ∙ с–1, пузырек транспортирует 33,6 % от изначальных 100% метана. В результате выполненных экспериментов показано, что средняя скорость всплытия пузырьков, выходящих из морского дна в виде цепочки интенсивностью ~ 40 мл ∙ мин–1, составляет 24,5 ± 0,5 см ∙ с–1, а для цепочки пузырьков с интенсивностью ~ 110 мл ∙ мин–1 – 30,4 ± 0.5 см ∙ с–1. Во втором случае значение скорости всплытия на 38 % выше значения скорости всплытия одиночного пузырька, определенной экспериментально и равной 24 см ∙ с–1.